JP4953635B2

JP4953635B2 - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP4953635B2
Application number: JP2006001732A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: JP2007184422A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等に用いる固体撮像素子の製造方法に関するものである。

近年デジタルスチルカメラは、小型化、レンズのズーム倍率の高倍率化が競われているが、ズーム倍率が高倍率である撮影光学系を小型化するためには撮影光学系の射出瞳を固体撮像素子に近づける必要がある。その結果、デジタルスチルカメラに用いる固体撮像素子の画面周辺に入射する光の角度は大きくなってきている。固体撮像素子の光電変換部に入射する光の角度が大きくなると、入射光の一部が光電変換部と隣接する電荷転送部に漏れ込んでしまい、画質を低下させてしまう場合がある。そこで特許文献１の固体撮像素子では、光電変換部の直上のゲート電極上に集光部（レンズ）を設け、光電変換部の手前で光電変換部への入射角が小さくなるように屈折させることによって電荷転送部への光の漏れ込みを防止している。

また、デジタルスチルカメラの低価格化に伴い、固体撮像素子を構成する１画素の大きさが小さくなってきているが、その結果光電変換部の開口率も小さくなってきている。光電変換部の開口率が小さくなると受光感度が低下してしまうため、特許文献２では光入射面と光電変換部との間に光入射側開口の開口率が大きな光導波路を設けて集光特性を高めるようにした固体撮像素子を開示している。特許文献２に開示されている固体撮像素子では、光導波路を屈折率の高い透明材料で構成することにより、全反射を利用して入射光を光電変換部に効率よく導いている。

光導波路を有した固体撮像素子においても、光電変換部に入射する光の角度が大きくなると、隣接する電荷転送部に光が漏れ込んでしまう場合がある。そこで、光導波路と光電変換部との間に集光部を設けることが有効となる。
特許第２９５６１３２号公報（第２頁、図１）特開平５−２８３６６１号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記の従来例では、光導波路と光電変換部との間に設けられた集光部（レンズ）がゲート電極を覆うように形成されている。そのため、光導波路を透過する光の一部は直接レンズに入射してゲート電極の遮光層で吸収され、光電変換部には到達しないという問題点があった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子に入射した光をより効率よく光電変換部に導けるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、シリコン基板に、光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、前記シリコン基板の上に、電極を形成する電極形成工程と、前記電極の隙間にレンズ部を形成するレンズ部形成工程と、前記レンズ部の上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、前記層間絶縁膜の中に光導波路を形成する光導波路形成工程とを備える固体撮像素子の製造方法において、前記レンズ部形成工程は、前記電極の上にシリコン窒化膜を成膜し、成膜された前記シリコン窒化膜を平坦化し、平坦化された前記シリコン窒化膜上にフォトレジストを塗布し、塗布された前記フォトレジストにレンズ形状を作成し、前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写することで、前記電極層の隙間に前記レンズ部を形成するものであって、前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写したとき、前記光電変換部以外の領域に、前記レンズ部の中心部分の厚さとほぼ同じ厚さとなる平坦化された前記シリコン窒化膜が残るように、前記フォトレジストに前記レンズ形状を作成することを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子に入射した光をより効率よく光電変換部に導くことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１乃至図７は本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子を示す図であり、図１はＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図、図２はＣＭＯＳ型固体撮像素子の平面図、図３乃至図７はＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。なお、固体撮像素子は多数の画素が２次元状に配置されて構成されているが、図１乃至図７は、それらの多数の画素のうちの１つの画素を抜き出して示した図である。

図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の断面図及び図２のＣＭＯＳ型固体撮像素子の平面図を用いて、本実施形態の固体撮像素子１の構造について説明する。

図１及び図２において、光電変換部１１の周辺には、光電変換部１１で発生した電荷を転送するためのポリシリコンで形成された第１の電極１２（１２−１、１２−２、１２−３、１２−４）が配設されている。さらに、転送された電荷を選択的に外部に出力するためのアルミニウムで構成された第２の電極４１及び第３の電極４３が配設されている。第１の電極１２と第２の電極４１とはタングステンで形成された第１のプラグ４０で接続されており、第２の電極４１と第３の電極４３とは、タングステンで形成された第２のプラグ４２で接続されている。

また、第１の電極１２（１２−１、１２−２、１２−３、１２−４）の隙間の光電変換部１１の領域には、シリコン窒化膜で形成されたレンズ２０が配設されている。レンズ２０の外周部の厚さは、第１の電極１２の厚さより十分薄くなるように構成されている。レンズ２０を構成するシリコン窒化膜の屈折率は約２．０である。

さらに、第１の電極１２と第２の電極４１との間の第１の層間絶縁膜３０及び第２の電極４１と第３の電極４３との間の第２の層間絶縁膜３１には、光導波路２１が形成されている。第２の層間絶縁膜３１は屈折率が約１．４６のシリコン酸化膜で構成され、光導波路２１は屈折率が約１．８のシリコン窒化膜で構成されている。また、第１の層間絶縁膜３０も光導波路２１よりも屈折率の低いＢＰＳＧ膜により構成されている。光導波路２１の光出射側はレンズ２０と接しており、光導波路２１とレンズ２０の接合面の外周部２５は電極１２の上面よりも光電変換部１１に近い位置に位置するように構成されている。

光導波路２１の光入射側には、カラーフィルタ層３５を形成するための平坦化層３２が形成され、またカラーフィルタ層３５の上には、オンチップレンズ３７を形成するための平坦化層３６が形成されている。ここでオンチップレンズ３７は、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換部１１とが略結像関係になるように構成されている。

本実施形態の固体撮像素子１に入射した光は、オンチップレンズ３７で集光され、カラーフィルタ層３５を介して光導波路２１に入射する。固体撮像素子１への入射角が大きくオンチップレンズ３７の周辺に入射した光Ａは、光導波路２１と第１の層間絶縁膜３０の境界面で全反射して、レンズ２０を介して光電変換部１１に導かれる。ここで、レンズ２０の外周部の厚さは第１の電極１２の厚さより十分薄く、光導波路２１の光出射端は光電変換部１１にできるだけ近接するように構成されている。そのため、光導波路２１から直接レンズ２０を通って光電変換部１１外に逃げていく光は少ない。

また、レンズ２０は、オンチップレンズ３７と光電変換部１１のシリコン基板１０内の光電変換領域が略結像関係になるように構成されている。そのため、固体撮像素子１への入射角が大きくオンチップレンズ３７の中心寄りに入射した光Ｂは、光導波路２１と第２の層間絶縁膜３１の境界面で全反射して、レンズ２０で屈折されて光電変換部１１への入射角が小さくなるように導かれる。その結果、光電変換部１１に隣接する不図示の電荷転送部、あるいは隣接画素の光電変換部に光が漏れ込むことがなくなり、高品位の画像を得ることが可能となる。このとき、レンズ２０の光軸は光導波路２１の中心軸と略同一となるように構成されているため、光導波路２１で導かれた光をレンズ２０にて均等に屈折させることが可能となる。

図３乃至図７は、本実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の製造プロセスを説明する図である。図３乃至図７では、固体撮像素子１の中心付近の１画素の断面構造を示している。

まず、シリコン基板１０を熱酸化してシリコン基板１０の表面に不図示のシリコン酸化膜ＳｉＯ2を形成する。さらに、シリコン基板１０中に光電変換領域を形成するために、フォトレジスト５０を塗布し、所定パターンのフォトマスクを介して露光を行い、さらに現像処理を行う（図３（ａ））。ポジ型のフォトレジストの場合、現像処理することにより光が照射された領域５０ａ、すなはち光電変換領域１１に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部１０ａが露出する。さらに、シリコン基板１０に対してイオンを打ち込むことにより、光電変換部１１を形成する。

シリコン基板１０中に光電変換部１１が形成されると、光電変換部１１にて発生した電荷を転送するための第１の電極１２をシリコン基板１０の表面に形成するために、ポリシリコン膜１２ａを形成する（図３（ｂ））。次に、フォトリソ工程を用いてポリシリコン膜１２ａを所定パターンにエッチングして第１の電極１２を形成する（図３（ｃ））。

第１の電極１２が形成されると、電極１２の隙間の光電変換部１１の領域にレンズを形成するために、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０ａを成膜する（図３（ｄ））。

シリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０ａは電極１２のパターンに対応した凹凸ができるため、ＣＭＰ法により平坦化を行う。次に、フォトレジスト５１を塗布後、露光、現像を行って、レンズのレイアウトに合致したパターンを形成する。さらに、フォトレジスト５１を熱溶融させることにより、レンズ形状を作成する（図３（ｅ））。

次に、ドライエッチングを行って、フォトレジスト５１のレンズ形状をシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０ａに転写してレンズ２０を形成する（図３（ｆ））。このとき、レンズ２０の外周部の厚さは、第１の電極１２の厚さより十分薄くなるように形成する。また、電極１２の隙間のうち光電変換部１１以外の領域にもシリコン窒化膜を残すことにより、平坦性を向上させている。

次に、ＢＰＳＧ膜による第１の層間絶縁膜３０を成膜する（図４（ｇ））。さらに、第１の電極１２とのコンタクトをとるための穴３０ａを形成し（図４（ｈ））、タングステン４０ａで穴３０ａを埋めプラグ４０を形成する（図４（ｉ））。

さらに、ＣＭＰ法によりタングステン４０ａの平坦化処理を行った後、第２の電極４１を形成するためのアルミニウム４１ａを成膜する（図４（ｊ））。さらに不図示のフォトレジストを所定のパターンにパターニングを行った後、エッチングを行うことにより、第２の電極４１を形成する（図４（ｋ））。

次に、シリコン酸化膜による第２の層間絶縁膜３１を成膜する（図５（ｌ））。さらに、第２の電極４１とコンタクトをとるためのビア３１ａを形成し（図５（ｍ））、タングステン４２ａで穴３１ａを埋めプラグ４２を形成する（図５（ｎ））。

さらに、ＣＭＰ法によりタングステン４２ａの平坦化処理を行った後、第３の電極４３を形成するためのアルミニウム４３ａを成膜する（図５（ｏ））。さらに不図示のフォトレジストを所定のパターンにパターニングを行った後、エッチングを行うことにより、第３の電極４３を形成する（図６（ｐ））。

次に、第１の層間絶縁膜３０及び第２の層間絶縁膜３１に光導波路を形成するために、フォトレジスト５２を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する。これによりフォトレジスト５２に開口部５２ａが形成される（図６（ｑ））。さらに、フォトレジスト５２をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって第１の層間絶縁膜３０及び第２の層間絶縁膜３１に光導波路２１を形成するための穴６０を形成する。このとき、第１の層間絶縁膜３０と光電変換部１１との間にはシリコン窒化膜によるレンズ２０が形成されて、レンズ２０の開口の大きさは光導波路２１の開口よりも大きく設定されている。そのため、レンズ２０はエッチングストッパ膜として機能し、光電変換部１１自体はエッチングされない（図６（ｒ））。

また、図２のＣＭＯＳ型固体撮像素子の平面図で示すように、通常光導波路２１はポリシリコンで形成された第１の電極１２を避けるように略矩形状に形成される。そのため、レンズ２０もエッチングストッパ膜として機能するとともに第１の電極１２の隙間に効率よく配置可能なように、その開口形状は光導波路２１の開口形状とほぼ同等の矩形状に形成される。

次に、第１の層間絶縁膜３０及び第２の層間絶縁膜３１に形成された穴６０にシリコン窒化膜２１ａを高密度プラズマＣＶＤ法で成膜し、光導波路２１を形成する。シリコン窒化膜２１ａを成膜後、ＣＭＰ法等により平坦化を行う（図６（ｓ））。

光導波路２１が形成されると、カラーフィルタ３５を形成するための平坦化層３２が形成された後にカラーフィルタ３５が形成される（図７（ｔ））。さらに、オンチップレンズ３７を形成するための平坦化層３６が形成された後にオンチップレンズ３７が形成される。オンチップレンズ３７は、公知のレジストリフロー法にて形成される（図７（ｕ））。

（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子を示す図であり、ＣＣＤ型固体撮像素子の概略側断面図である。なお、図８において、図１に示した第１の実施形態と同様の機能を有する部分には同じ参照番号を付している。

光電変換部１１の周辺には、光電変換部１１で発生した電荷を転送するためのポリシリコンで構成された電極１２が配設されている。また、電極１２の隙間の光電変換部１１の領域には、シリコン窒化膜で構成されたレンズ２０が形成されている。レンズ２０の外周部の厚さは、電極１２の厚さより薄くなるように構成されている。レンズ２０を構成するシリコン窒化膜の屈折率は約２．０である。

さらに、電極１２とカラーフィルタ層３５との間の平坦化層３０には、光導波路２１が形成されている。平坦化層３０は屈折率が約１．４６のシリコン酸化膜で構成され、光導波路２１は屈折率が約１．８のシリコン窒化膜で構成されている。光導波路２１の光出射側はレンズ２０と接しており、光導波路２１とレンズ２０の接合面の外周部２５は電極１２の上面よりも光電変換部１１に近い位置に位置するように構成されている。

光導波路２１の光入射側には、カラーフィルタ層３５を形成するための平坦化層３１が形成され、またカラーフィルタ層３５の上には、オンチップレンズ３７を形成するための平坦化層３６が形成されている。ここでオンチップレンズ３７は、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換部１１とが略結像関係になるように構成されている。

本実施形態の固体撮像素子１に入射した光は、オンチップレンズ３７で集光され、カラーフィルタ層３５を介して光導波路２１に入射する。固体撮像素子１への入射角が大きくオンチップレンズ３７の周辺に入射した光は、光導波路２１と平坦化層３０の境界面で全反射して、レンズ２０を介して光電変換部１１に導かれる。ここで、レンズ２０の外周部の厚さは電極１２の厚さより十分薄く光導波路２１の光出射端は光電変換部１１にできるだけ近接するように構成されているため、光導波路２１から直接レンズ２０を通って光電変換部１１外に逃げていく光は少ない。

またレンズ２０は、オンチップレンズ３７と光電変換部１１のシリコン基板１０内の光電変換領域が略結像関係になるように構成されているため、レンズ２０で屈折された光の光電変換部１１への入射角は小さくなる。その結果、光電変換部１１に隣接する不図示の電荷転送部、あるいは隣接画素の光電変換部に光が漏れ込むことがなくなり、高品位の画像を得ることが可能となる。このとき、レンズ２０の光軸は光導波路２１の中心軸と略同一となるように構成されているため、光導波路２１で導かれた光をレンズ２０にて均等に屈折させることが可能となる。

以上説明したように、上記の実施形態では、光導波路と光電変換部との間であって、光電変換部で発生した電荷を外部に読み出すための電極の隙間に、レンズ部を配置するように構成した。これにより、光導波路に入射したほぼ全ての光を光電変換部に導くとともに、隣接する電荷転送部への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

また、光導波路とレンズ部との接合面の外周部を、電極の上面よりも光電変換部に近い位置に位置するように構成することによって、入射光が電極で吸収されることを防止することが可能となる。

また、光導波路と光電変換部との間であって、電極の隙間に設けられたレンズ部の光軸を、光導波路の中心軸と略同一となるように構成することによって、光導波路で導かれた光をレンズ部にて均等に光電変換部に導くことが可能となる。

また、光導波路と光電変換部との間であって、電極の隙間に設けられたレンズ部の開口形状は、光導波路の開口と略同一形状となるように構成することにより、電極の隙間に効率的にレンズ部を配置することが可能となる。

さらに、光導波路と光電変換部との間であって、電極の隙間に設けられたレンズ部の開口の大きさは、光導波路の開口の大きさよりも大きくなるように構成することにより、光導波路を形成する際にレンズ部をエッチングストッパと兼用することが可能となる。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の平面図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセス説明図である。ＣＣＤ型固体撮像素子の概略側断面図である。

符号の説明

１固体撮像素子
１０シリコン基板
１１光電変換部
１２電極
２０レンズ
２１光導波路
３５カラーフィルタ
３７オンチップレンズ

Claims

シリコン基板に、光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、前記シリコン基板の上に、電極を形成する電極形成工程と、前記電極の隙間にレンズ部を形成するレンズ部形成工程と、前記レンズ部の上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、前記層間絶縁膜の中に光導波路を形成する光導波路形成工程とを備える固体撮像素子の製造方法において、
前記レンズ部形成工程は、前記電極の上にシリコン窒化膜を成膜し、成膜された前記シリコン窒化膜を平坦化し、平坦化された前記シリコン窒化膜上にフォトレジストを塗布し、塗布された前記フォトレジストにレンズ形状を作成し、前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写することで、前記電極層の隙間に前記レンズ部を形成するものであって、
前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写したとき、前記光電変換部以外の領域に、前記レンズ部の中心部分の厚さとほぼ同じ厚さとなる平坦化された前記シリコン窒化膜が残るように、前記フォトレジストに前記レンズ形状を作成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写したとき、前記レンズ部の外周部分の厚さが、前記電極の厚さよりも薄くなるように、前記フォトレジストに前記レンズ形状を作成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記レンズ形状を平坦化された前記シリコン窒化膜に転写したとき、前記レンズ部の大きさが、前記光導波路の開口の大きさより大きくなるように、前記フォトレジストに前記レンズ形状を作成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。